ГОУ ВПО Ижевский государственный технический университет имени М

ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова» Кафедра «Электротехника» Исследование коммутационных перенапряжений вакуумных контакторов Выполнил студент гр. 8 -83 -1: Научный руководитель: Цель: Задачи: Алалыкин И. В. к. т. н Морозов В. А. Исследование природы явления зависимости коммутационных перенапряжений от параметров электрической цепи. 1) Понятие коммутационных перенапряжений и их классификация. 2) Исследовать зависимость появления коммутационных перенапряжений от свойств цепи и вывести характеристические уравнения. 3) Провести анализ полученных данных и сделать вывод. Ижевск 2012

Введение В данное время в электроэнергетике сложилась ситуация, что наиболее изношенное оборудование– это коммутационная аппаратура. Доля отработавшего свой срок аппаратов составляет более 20 %. Таким образом, одним из первоочередных видов оборудования, которое будет заменено в ближайшее время, станут коммутационные аппараты. Вакуумные выключатели и контакторы в настоящее время являются приоритетно рекомендуемым коммутационным оборудованием для использования в сетях средних классов напряжения. У контакторов данного типа имеется множество достоинств: высокая износостойкость, снижение эксплуатационных затрат, взрыво- и пожаробезопасность , повышенная устойчивость к ударными вибрационным нагрузкам, и т. д. Однако вместе с положительными эксплуатационными свойствами вакуумных выключателей наблюдаются и отрицательные, которые и до сих пор остаются предметом дискуссий о вакуумных выключателях и вследствии чего являются предметом исследований на протяжении многих лет.

Коммутация электрических систем При эксплуатации электроэнергетических систем часто возникает необходимость отключения или подключения потребителей электроэнергии, или снятия питания с отдельных участков системы для проведения обслуживания. Любая коммутация какого-либо элемента сети вызывает переходный процесс. Это связано с тем, что сеть является совокупностью индуктивностей и емкостей основного электротехнического оборудования, поэтому коммутация элемента сопровождается выделением запасенной в установке энергии, представляющей собой отношение величин амплитуд перенапряжения и рабочего напряжения, другими словами переход сети от режима до коммутации к режиму после коммутации сопровождается изменениями токов в элементах и напряжений на них. Как правило, этот переход имеет вид затухающих колебаний, в процессе которого напряжение на емкостях оборудования относительно земли или между фазами может достигать величин значительно больших, чем номинальное и оказывающих стрессовые воздействия на коммутационный аппарат и систему в целом.

Виды коммутационных перенапряжений • включении и отключении воздушных и кабельных линий; • отключении ненагруженных трансформаторов; • включении электродвигателей при автоматическом вводе резерва (АВР) или автоматическом повторном включении (АПВ); • отключении электродвигателей; • коммутации нагрузки вакуумными выключателями; • дуговых замыканиях на землю; • резонансных повышениях напряжения.

Виды коммутационных перенапряжений от места приложения • Междуфазные • Внутрифазные • Между контактами коммутирующей аппаратуры Коммутация Оперативные(плановые) а)включение и отключение ненагруженных линий б) отключение ненагруженных трансформаторов и реакторов поперечной компенсации; в) отключение конденсаторных батарей Аварийные: а) отключение выключателями короткого замыкания; б) автоматическое повторное включение линий; в) внезапный сброс нагрузки и др.

Условия возникновения перенапряжений Обобщение опыта эксплуатации при повреждения оборудовании из-за возникновения внутренних перенапряжений позволило сформулировать три условия, сочетание которых необходимо, чтобы возникали перенапряжения • Первое условие - параметры сети (емкость и индуктивность элементов) должны иметь характеристики, изменение которых способно привести к образованию резонансного контура в схеме нулевой последовательности. • Второе условие - на этих участках сети внутренние перенапряжения возникают, если в контуре нулевой последовательности затухание значительно меньше критического. • Третье условие - определенный характер начального события.

Срез тока Быстрый распад канала дуги и принудительный спад тока от некоторого значения (как правило, единицы десятки ампер) до нуля за очень малое время. Срез тока характерен для любой коммутационной аппаратуры применяющегося в настоящее время. В вакуумных контакторах причиной среза тока является неустойчивость дуги при малых токах, так как она горит в парах металла контактов. При срезе тока в индуктивности нагрузки "запирается" энергия, которая затем освобождается на емкость присоединения и может вызывать перенапряжения. Современные вакуумные контакторы с хром - медными контактами имеют низкий уровень тока среза, ниже чем у прочих выключателей и ранних моделей вакуумных контакторов с контактами созданными на основе вольфрама. У вольфрамовых контактов большой ток среза обусловлен низким давлением металлического пара и большой работе выхода электронов, при малых токах плотность пара резко падает и задолго до перехода тока через ноль дуга гаснет. У хром – медных работа выхода электронов значительно ниже и плотность пара при различных значениях тока остается величиной постоянной, что обуславливает малое значение тока среза – 1, 3 Ампера.

Эскалация напряжения (многократные повторные пробои) Вызвано способностью гасить высокочастотные токи со скоростью перехода через нуль до 50 -100 А/мкс и почти мгновенно восстанавливать электрическую прочность промежутка между контактами после гашения (на уровне 15 - 60 к. В/мс ). Однако оно возникает крайне редко. При срезе тока энергия магнитного поля индуктивности переходит в энергию электрического поля эквивалентной ёмкости , в результате сложения заряда с амплитудным значением напряжения источником питания может получиться величина превышающая восстанавливающуюся электрическую прочность и произойдет пробой межконтактного промежутка. При выполнении условия резонанса напряжений в контуре нагрузки процесс эскалации многократно повторяется что приводит к повышению уровня перенапряжения.

Характеристики коммутационных перенапряжений Важнейшей характеристикой перенапряжений является их кратность Кратность - отклонение максимального значения напряжения Umax к амплитуде наибольшего рабочего напряжения данном элементе 1, 41 Uном. Однако при измерениях или расчётах для определения кратности Umax обычно относят не к величине 1, 41 Uном, а к фактической амплитуде рабочего, имеющего место непосредственно перед появлением перенапряжения или установившегося после него. Повторяемость определяется ожидаемым числом случаев возникновения перенапряжения за данный промежуток времени , например в год. Форма кривой перенапряжения обуславливается длиной фронта, длительностью, числом импульсов и временем существования данного перенапряжения.

. Характеристические уравнения перенапряжения По второму закону Кирхгофа записанному для мгновенных значений тока и напряжения для контура с индуктивным характером нагрузки характеристическое уравнение примет вид: . Схема замещения контура с индуктивным характером нагрузки Для контура с активно-индуктивным характером нагрузки характеристическое уравнение приимет вид: Схема замещения контура с активноиндуктивным характером нагрузки

Теоретическое исследование в программе Multisim Схема замещения для цепи с индуктивным характером нагрузки. Переходный процесс при коммутации U(t) В момент коммутации наблюдается перенапряжение значением 59 В длительность переходного процесса составляет 0, 004 мсек

Схема замещения для цепи с активно индуктивным характером нагрузки Переходный процесс при коммутации активно-индуктивной нагрузки U(t) В момент коммутации наблюдается перенапряжение значением 50 В длительность переходного процесса составляет 0, 004 мсек

При сравнении осциллограмм полученных при коммутации цепей с нагрузкой различного характера заметна разница в величине перенапряжения, после введения активного сопротивления бросок перенапряжения снизился с 59 В, до 50 что свидетельствует о корректности принятых характеристических уравнений В характеристических уравнениях значения напряжения и тока представлены мгновенрезультаты ными значениями. Полученные в ходе моделирования подтверждают что фазы тока и напряжения нагрузки в момент коммутации определяют величину перенапряжения. В зависимости от этого возможно получить значения перенапряжений от нуля до максимальных его значений. Что наглядно иллюстрирует экспериментальная осциллограмма.

Экспериментальные осциллограммы Перенапряжение при коммутации индуктивной нагрузки. В момент коммутации нагрузки отчетливо виден резкий скачек напряжения всплеск амплитуды напряжения с номинальной амплитуды 10 В до 27 В, чему соответствует коэффициент кратности К=2, 7. Длительность перенапряжения в виду больших помех точно определить не представляется возможным.

Осциллограмма напряжения при коммутации на активно-индуктивную нагрузку При коммутации цепи с активно-индуктивным характером нагрузки выброса не наблюдается что противоречит теоретически положениям и результатам проведенного моделирования. Возможно выброс не регистрируется из за малой чувствительности платы в силу большого времени опроса или ошибками вызванными большим уровнем помех.

Заключение В ходе выполнения дипломного проекта была выполнена систематизация данных о причинах появления, видах коммутационных перенапряжений, результаты положены в основу при разработке и монтаже лабораторного стенда по исследованию коммутационных перенапряжений. Экспериментально снятые характеристики переходного процесса коммутации проанализированы согласно теории и подтверждают принятые теоретическое модели и разработанные в программе моделирования multisim.

Спасибо за внимание